Transcript Departamento de Química Analítica y Tecnología de Alimentos QUIMICA ANALITICA APLICADA TEMA 3.- Métodos automáticos y analizadores de procesos  Métodos automáticos de análisis.  Clasificaciones. 

Departamento de Química Analítica y
Tecnología de Alimentos
QUIMICA ANALITICA APLICADA
TEMA 3.- Métodos automáticos y analizadores de
procesos
 Métodos automáticos de análisis.
 Clasificaciones.
 Analizadores
automáticos
continuos
discontinuos.
 Analizadores de procesos. Componentes.
 Analizadores fotométricos, electroquímicos
cromatógrafos de procesos.
y
y
METODOS AUTOMATICOS DE ANALISIS
OPERACIONES QUE SE PUEDEN AUTOMATIZAR DURANTE EL
PROCESO ANALÍTICO
OPERACION
EJEMPLOS
TIPO
Preparación de la muestra Trituración, homogeneización, secado
D
Definición de la muestra
Disolución de la muestra
Separación
Medida
Calibración
Tratamiento de datos
Presentación de datos
Determinación de peso o volumen
D
Tratamiento con disolventes y dilución.
C, D
Calentamiento, calcinación, fusión
D
Precipitación y filtración
D
Extracción, diálisis y cromatografiado
C, D
Absorbancia, I de emisión, potencial, I de
corriente y conductividad
Análisis de los patrones
Calcular el resultado, analizando
exactitud precisión
Imprimir los resultados numéricos,
representar gráficamente los datos
C, D
C, D
C, D
C, D
METODOS AUTOMATICOS DE ANALISIS
DEFINICIONES DE LA COMISION DE NOMENCLATURAS DE LA
IUPAC
CONCEPTO
DEFINICIÓN
Uso de aparatos o maquinas para sustituir, mejorar,
Mecanización
ampliar o suplementar el esfuerzo humano
Aparato usado para observar, medir o comunicar una
Instrumento
propiedad ( parámetro) que reemplaza o suplementa la
actividad humana
Uso combinado de dispositivos mecánicos e
instrumentales para sustituir, mejorar, ampliar o
suplementar el esfuerzo y la inteligencia humana en el
Automatización
desarrollo de un proceso , en el cual una de las
operaciones mas importantes es controlada mediante un
sistema de realimentación
Sistema de
realimentación
Un dispositivo en el que se combinan elementos de
recepción y envío de señales que pueden modificar el
funcionamiento del proceso en diversos momentos
Dispositivos
automáticos
Originan acciones previamente programadas en un
proceso sin tomar decisiones
Realizan la acción de automatizar. Se diseñan para que
un sistema de realimentación les permita tomar
decisiones
Dispositivos
automatizados
METODOS AUTOMATICOS DE ANALISIS : CLASIFICACIÓN
 SEGUN SU METODOLOGIA
 CONTINUOS
 La muestra se introducen en un canal por el que fluye un liquido en el
que esta disuelto el reactivo. El flujo pasa por el detector. La muestra
origina una señal transitoria en forma de curva, su altura se relaciona con
la concentración
 DISCONTINUOS
 La muestra se mantiene en un receptáculo (cubeta o pocillo), donde
tienen lugar las etapas analíticas mecánicamente. Finalmente la muestra se
lleva al detector
 ROBOTIZADOS
 Se basan en el uso de un robot controlado por un microprocesador que
mimetiza las funciones de un operador en el desarrollo de un método de
análisis
 SEGUN SU VERSATILIDAD
 MONOCANAL
 Sirven para analizar un parámetro en cada muestra
 MULTICANAL
 Pueden analizar hasta 20 componentes en cada muestra. Disponen de
una unidad de análisis con detector individual para cada parámetro
 ESPECIFICOS
 Sirven para determinar un único o un numero reducido de componentes
en un mismo tipo de muestras
ANALIZADORES AUTOMATICOS DISCONTINUOS
 EN SERIE
 La muestra permanece en el mismo
receptáculo tanto en las operaciones
previas (dilución, adición de reactivo,
mezcla), como en la detección.
 Modelo RA-1000 (Technicon)
 Consta de tres discos:
1.-Unidad central : Bandeja de reacción
con 100 cubetas
2.-Disco de la izquierda : Plato de
muestras (0.5 ml)
3.-Disco de la derecha: Plato de reactivos
(25ml)
 Las pipetas de aspiración , trasvasan
muestras (3 a 20 μL) y reactivos (300
μL) a la bandeja central.
 El detector es un colorímetro con
filtros.
ANALIZADORES AUTOMATICOS DISCONTINUOS
 EN PARALELO O CENTRÍFUGOS
 La medida se lleva a cabo en una cubeta diferente al receptáculo donde se
lleva a cabo el primer trasvase y tratamiento de la muestra
 Analizador centrifugo 600 de Union Carbide
 Consta de dos módulos separados , el dosificador de muestras y reactivos y
el analizador , en el que se realiza la mezcla y la medida colorimétrica
ANALIZADORES AUTOMATICOS CONTINUOS
 METODOS AUTOMATICOS CONTINUOS
 FLUJO SEGMENTADO
 Las muestras se aspiran secuencialmente, y entre ellas se sitúan burbujas
de aire que separan las muestras entre si
 Componentes esenciales
• Sistema de toma de muestra
• Sistema de propulsión
• Sistema de separación
• Sistema de calefacción
• Sistema de eliminación de burbujas
• Sistema de detección
ANALIZADOR DE FLUJO CONTINUO
SEGMENTADO (CFA)
ANALIZADORES DE FLUJO CONTINUO NO SEGMENTADO
 FLUJO NO SEGMENTADO
 Las muestras se inyectan en el flujo. En la detección no se alcanza ni el equilibrio
físico ni el equilibrio químico.
 Se distinguen dos modalidades:
 CON INYECCION :
a)Análisis por inyección en flujo (FIA )
b) Análisis por inyección en flujo segmentado, interrumpido y almacenado
(SF/USA)
 SIN INYECCION:
Análisis en flujo completamente continuo
 CON INYECCION :
ANALISIS POR INYECCION
EN FLUJO (FIA)
 Son una consecuencia de los
métodos de flujo segmentado sin las
burbujas de aire.
 En la figura a se muestra un
sistema FIA para la determinación
colorimétrica de calcio en suero,
leche y agua potable.
 El tampón y el reactivo se mezclan
en un serpentín antes de la inyección
de la muestra.
 En la figura b se muestran los
fiagramas para tres muestras por
triplicado y cuatro patrones por
duplicado.
ANALIZADORES DE FLUJO CONTINUO NO SEGMENTADO
 CON INYECCION
 ANALISIS POR INYECCION EN FLUJO (FIA)
 En la figura se muestra un sistema FIA mas complicado, para la determinación
de cafeína en preparados farmacéuticos después de su extracción con cloroformo.
El cloroformo enfriado en un baño de hielo se mezcla con el canal alcalino de la
muestra en un tubo en forma de T
ANALIZADORES DE FLUJO CONTINUO NO SEGMENTADO
 SIN INYECCCIÓN :
 EN FLUJO COMPLETAMENTE
CONTINUO
( Ejemplo 1)
Analizador continuo de bajo caudal para
la determinación de la DQO en aguas
residuales.
 En un sistema de cuatro canales, se
introduce la muestra continuamente y
se mezcla con un flujo de ácido, el
catalizador y un oxidante.
 El flujo mezclado llega finalmente al
reactor de oxidación que esta
sumergido en un baño de agua
hirviendo donde reacciona durante 30
minutos.
 La mezcla llega al detector
electroquímico ,donde se registra la
reducción
electrolítica
del
permanganato.
ANALIZADORES DE FLUJO CONTINUO NO SEGMENTADO
 SIN INYECCION :
ANALISIS EN FLUJO COMPLETAMENTE CONTINUO (Ejemplo 2)
Equipo totalmente automatizado para controlar
mercurio en aguas residuales.
 Consta de dos bombas peristálticas.
 La 2 manipula el aire la muestra y agua
refrigerada que alimenta un condensador.
 La 1 introduce tres reactivos.
 La muestra se mezcla primero con ácido
sulfúrico y con el oxidante.
 Esta mezcla pasa a un reactor que se
mantiene en un baño de agua a 80 º C.
 En este reactor se oxidan los componentes
orgánicos de la matriz y el Hg se transforma
en Hg(II).
 La disolución oxidada pasa a un segundo
reactor después de haberse mezclado con
una disolución de cloruro estannoso y una
corriente de burbujas de aire.
 La mezcla pasa a través de un separador
gas-liquido que dirige el vapor hacia un
condensador en el que se enfría a 0 ºC.
 El vapor de Hg seco se lleva al detector
(un fotómetro que mide su absorbancia a
253,7 nm).
 La A se relaciona con la concentración de
Hg y se va registrando con el tiempo.
ANALIZADORES DE PROCESOS : INTRODUCCION
 Objetivo de la Química Analítica de Procesos
Conseguir a través de la automatización y miniaturización una mayor
integración de la Química Analítica con los procesos industriales con objeto
de suministrar mayor información acerca de los procesos químicos la cual
puede ser utilizada para monitorizar, optimizar y controlar dichos procesos.
 Analizadores de procesos
Son aparatos automáticos diseñados para realizar medidas continuas o
periódicas, de uno o mas, parámetros físicos o químicos en los procesos
industriales en línea,
permitiendo correcciones
en las condiciones de
operación del proceso, basándose en los resultados en las medidas realizadas
ANALIZADORES DE PROCESOS : INTRODUCCION
Características ideales de un analizador de procesos
 Emplea métodos químicos sencillos.
 Lleva a cabo el muestreo y preparación de la muestra y el análisis en
continuo.
 Produce resultados suficientemente precisos y exactos para controlar la
línea de proceso.
 Produce resultados rápidos que permiten correcciones en de la línea de
proceso
 Es fácil de manipular por personal no especializado.
 No necesita mantenimiento durante largos períodos.
 El mantenimiento se puede llevar a cabo sin interrumpir la línea de proceso.
 Es capaz de autocalibrarse.
 Es capaz de trabajar en ambientes “peligrosos”.
 Su uso debe ser económicamente ventajoso para la empresa.
ANALIZADORES DE PROCESOS : INTRODUCCION
COMPARACION
Instrumentos de laboratorio
Analizadores de procesos
Flexibles en cuanto a las especies que
Concebidos para análisis muy
pueden ser analizadas y las
específicos en condiciones
condiciones operacionales
experimentales establecidas
Complejos y delicados.
Simples y robustos
Trabajan 8 horas/día y 5 días/semana. Trabajan 24 horas/día y 7 días/semana
Atendidos por personal especializado Atendidos por personal no especializado
Calibrados antes de una serie de
No necesitan calibración frecuente
análisis
Las muestras suelen ser procesadas Trabaja en línea con el sistema de toma y
manualmente
tratamiento de muestras
El analista y el instrumento trabajan en El analista se encuentra en un lugar
la misma habitación la cual a menudo distante del analizador el cual está a
se encuentra en unas condiciones
menudo en condiciones extremas de
óptimas
humedad, temperatura y corrosión
La responsabilidad de las empresas
fabricantes se limita a la garantía de
buen funcionamiento del equipo
La responsabilidad de las empresas
fabricantes de analizadores de procesos
es mucho mayor
ANALIZADORES DE PROCESOS : INTRODUCCION
 Ventajas de los analizadores de procesos (1)
 Rapidez
 Introducción de cambios rápidos en las condiciones operacionales de la
línea de proceso.
 La calidad de los productos es más uniforme.
 No se producen cambios significativos en la composición de las
muestras.
 Detección de cambios rápidos en la composición.
 El control de la línea de proceso automatizada.
 Muestreo:
 Se eliminan los errores de muestreo y de etiquetado debidos a la
intervención humana.
 No se requieren contenedores especiales.
 Se pueden muestrear sustancias peligrosas.
ANALIZADORES DE PROCESOS : INTRODUCCION
 Ventajas de los analizadores de procesos (2)
 Economía:
 Se reducen costes de personal.
 Se reduce el coste de análisis (automatización).
 Se reduce el consumo de energía y los costes de producción.
 Se reducen costes en el reprocesado de materiales que no están de
acuerdo con las especificaciones.
 Problemas o inconvenientes en su implantación
 Reticencias de la industria a introducir nuevas técnicas analíticas.
 Falta de comunicación entre los físicos y químicos que trabajan en
desarrollo de nueva instrumentación analítica y los ingenieros que
trabajan en la industria.
 Instrumentación necesaria para extraer muestras de la línea de
producción y transferirlas al analizador es más costosa que el propio
analizador.
 Los errores de funcionamiento pueden conducir a importantes
pérdidas económicas
CLASIFICACIÓN DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS.
 De acuerdo a la Localización en la línea de proceso
 Off Line : Las muestras se extraen desde la línea de procesos para su análisis
posterior
 In Line : Tienen sus sensores insertados dentro de la línea de proceso. El
analito se determina sin extraer la muestra
 On Line : Llevan un sistema para la recogida , acondicionamiento y
transporte de la muestra al analizador
In-line
On-line
Off-Line
De acuerdo a su Objetivo
 Analizadores de seguridad : Diseñados para la medida de contaminantes en
los efluentes industriales o en la atmósfera de trabajo. Su uso se justifica por
razones legales.
 Controladores de la línea de producción : Análisis de uno o más
componentes en la línea de proceso con objeto de controlar la calidad de los
productos finales o la eficacia de un proceso. Se justifican por razones
económicas
CLASIFICACIÓN DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS.
 De acuerdo a la Interpretación de los resultados.
Analizadores de control de procesos indirecto
 Un ordenador recibe los resultados y toma decisiones sin la intervención
humana.
Analizadores de control de procesos directo
 Un técnico recibe los resultados y toma las decisiones.
 De acuerdo a los Parámetros a determinar
Analizadores físicos
 Medida y control de una propiedad física del fluido (conductímetros,
viscosímetros, refractómetros, medidores de presión y temperatura).
Analizadores químicos
 Medida de la concentración de una (pH-metros, electrodos de iones) o
varias simultáneamente (cromatógrafos de líquidos y de gases) o
sucesivamente (fotómetros).
COMPONENTES DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS
 Los analizadores de procesos tienen los siguientes componentes comunes
 Un sistema automático de muestreo.
 Un sistema de protección del analizador
 El propio analizador
 Un sistema de “salida” de resultados
 SISTEMA AUTOMATICO DE MUESTREO (1)
 CARACTERISTICAS
 Que opere de manera veraz y requiera un mínimo mantenimiento.
 Que pueda ser totalmente automatizado.
 Que el tiempo empleado en acondicionar y transportar la muestra
sea mínimo.
 Que los materiales no contaminen la muestra ni dañen el sistema
COMPONENTES DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS
 SISTEMA AUTOMATICO DE MUESTREO (2)
COMPONENTES (1)
1. Sistema de acondicionamiento de la muestra :Adapta la muestra
extraída a los requerimientos del analizador, lo que implica las
siguientes etapas:
 Filtración
 Eliminación de la corrosividad o agresividad
 Homogenización de la muestra
 Tamponamientos
 Eliminación de interferencias
 Control de la presión y la temperatura
 Control de la velocidad de flujo y tamaño de la muestra
 Eliminación parcial o completa de la muestra
 Dilución de la muestra
COMPONENTES DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS
 SISTEMA AUTOMATICO DE MUESTREO (2)
 COMPONENTES (2)
2. Sistema de recogida, transporte y eliminación de
muestra : La
selección de un diseño adecuado se basa en las siguientes premisas:
 Elección apropiada del punto de muestreo
 La muestra extraída debe ser representativa del proceso que se
controla
 La composición de la muestra no debe cambiar durante su
transporte
 La muestra analizada y el sobrante no analizado debe ser
devuelto bien a la línea de proceso de donde se extrajo o debe
eliminarse como residuo
 El muestreo debe implicar varias corriente no sujetas a
contaminación cruzada, mediante el uso de válvulas
COMPONENTES DE LOS ANALIZADORES DE PROCESOS
 PROTECCION DEL ANALIZADOR
 Los sistemas analizadores deben protegerse de las condiciones
climatológicas, del medio ambiente y del flujo de los procesos que
controlan.
 Para ello se utilizan cámaras de distintos materiales y características
donde se introducen los Analizadores, junto con detectores de fugas
 ANALIZADORES DE PROCESOS
 Los analizadores de procesos usan diferentes técnicas de detección
como: Fotometría, Potenciometria, Espectrometría IR, Cromatografía,
etc.
 Permiten analizar todo tipo de muestras basándose en sus
propiedades :
 Propiedades físicas: conductividad, densidad, presión de vapor,
índice de refracción, ect. Los cambios de estas propiedades
durante el proceso se deben a especies que pueden controlarse
indirectamente.
 Propiedades químicas: La líneas de proceso pueden llevan una
gran variedad de especies químicas, que pueden ser controladas
con el analizador adecuado.
ANALIZADORES DE PROCESOS
 FOTOMETRICOS
 Se basan según el principio de la fotometría, en la relación entre la concentración
de la especie analizada y la radiación absorbida por esta a una determinada longitud
de onda (Ley de Lambert Beer)
 Las regiones del espectro electromagnético utilizadas en este tipo de analizadores
son la IR y la UV.
 ELECTROQUIMICOS
 Se basan en los métodos electroquímicos.
 Pueden ser :
 Potenciometricos: de pH y selectivos de iones
 Culombimetricos: miden el tiempo que tarda en completarse la reacción en
la celda culombimetrica cuando circula una corriente eléctrica . Pueden ser : a
potencial o corriente controlados
 Amperometricos: miden la corriente eléctrica de un analito que reacciona en
el electrodo
 De conductividad: Miden la variación de la conductividad entre distintos
puntos de la línea de procesos
 CROMATOGRAFICOS
 Las técnicas cromatográficas son muy útiles para seguir una conversión química
en un proceso o seguir en el proceso las concentraciones de diversos componentes.
 La Cromatografía de gases es la mas utilizada a nivel industrial.
 Se utilizan en el control de los productos obtenidos en el fraccionamiento del
petróleo (refinería), en la destilación del crudo , en el crakeo catalítico , etc..
ANALIZADORES EN LA PLANTA DE DESULFURIZACION Y
RECUPERACIÓN DE AZUFRE DE UNA REFINERÍA
La figura se muestra un esquema relacionado con algunas propiedades que se miden y
controlan en una línea de procesos
A la atmósfera
10 ppm de H2S
H2S, An
H2S en efluente
H2S, An
Sistema de
tratamiento
del gas
H2S al 10 %
Tanque de
azufre
Regenerador
de aminas
Planta de
Claus
H2S, An
Controlador de flujo
Alimentación
H2S, An
Unidad de
desulfuración
catalitica
Analizador de H2S
HC, An
H2S en gas
H2S, An
H2S en gas
HC, An
Absorbente
Analizador de Hidrocarburos
H2S en SO2
Hidrocarburo
en H2S
Producto
desulfurizado
ANALIZADORES DE PROCESO EN UNA PLANTA DE
PRODUCCIÓN DE CERVEZA
Ozonización
O2, An
levadura
Malta
Producción
del caldo
Lúpulo
Aditivos
d, An
Separación
de la
levadura
O2, An
Almacenamiento
O3, An
O3
Tanque de
fermentación
Agua
Mezcla
L, An
Filtrado
T, An
CO2
Tanque de
CO2
CO2
CO2, An
Planta de embotellado
ANALIZADORES DE PROCESOS EN UNA PLANTA DE PRODUCCION DE
AMONIACO
♦
K
A
P
M
L
C
B
♦
D
E
♦
♦
♦
♦
♦
♦
N
♦
F
G
♦
H
I
J
O
A.- Reformador primario
B.-Reformador secundario
C.- Conversor
D.- Absorbente
E.- Limpiador
F.- Trampa de aceite
G.- Separador secundario
H.- Conversor de amoníaco
I.- Separador primario
J.- Flasher
K.- Alimentación de
hidrocarburo
L.- Agua
M.- Aire
N.- Alimentación al sistema
de la recuperación
O.- Amoníaco
P.- Gas combustible
♦ Toma de muestras
ANALIZADORES DE PROCESOS
Analizador para
medir la presión
de vapor en línea
Rango de medición
de 0- 35 psi (0-2500
mbar)
Tiempo de respuesta
de 5 minutos
Precisión de 0.05 psi
(3.5 mbar)
Reproducibilidad de
99 %
Analizador en línea para
cuantificar hidrocarburo
en agua en líneas de
proceso
Intervalo de medición de
0-100 ppm
Tiempo de respuesta de
15 seg.
Precisión de 0.5 ppm
No requiere acondicionamiento de la muestra
No necesita químicos para
la cuantificación
Analizador en línea de
punto de fluidez
de un hidrocarburo
Intervalo
de
operación de -76°C a
77°C
Tiempo de respuesta
de 10 a 45 minutos
No requiere sistema
de
recuperación
atmosférica
Precisión de 0.5°C
Analizador para
medición continua de
la salinidad en crudo
Intervalo de medición
de 0-400 PTB
Tiempo de respuesta
de 6 minutos
Presición de 2%
Sistema de enjuagado
integrado
sistema de validación
de la muestra